JP4586426B2 - 遠心機 - Google Patents

Description

本発明は遠心機などのように、高速に回転する回転体が、万一遠心破壊を起こしても、装置の中に回転体の破片を封じ込めるための構造に関するものである。

この種の遠心機に用いられる回転体には、主に試料を入れた試験管を保持するための試験管穴が設けてあり、使用者は試料をこの穴に挿入して回転体を高速に回転させ、試料に遠心力を作用させて、わずかな質量差、密度差の試料を分離する。この時、当然回転体自体にも遠心力が加わり、内部に応力が発生することから、回転中に回転体が遠心破壊する恐れがある。故に製造者は、繰り返し使用による金属疲労を含め、十分な裕度を持った設計を行っており、許容できる試料の比重誤りや腐食性試料の扱いミスにより回転体を腐食させるなどといった使用方法の誤りによる場合を除き、あらかじめ定めた製品寿命の中での破壊はほぼゼロと言って良い。

しかし、起こり得ないと考えている破壊が起こった場合でも、使用者の安全を確保せねばならないとの考えが近年高まりつつあり、ＩＥＣ規格の６１０１０−２−０２０「Particular requirements for laboratory centrifuges」では、最大の被害になると思われる事故を想定して、その事故が発生するよう細工を施した試験（ＭＣＡテスト：Maximum Credible Accident）を行い、それでも安全であることを実証するよう要求している。このＭＣＡテストの条件は軸受けの焼き付き、シャフトの折損、回転体の軸からの離脱など、遠心機の種類や使用する回転体によっても異なり、一概に言えないが、多くの場合は回転体の遠心破壊が最大の被害を引き起こす事故として選択される。ただし、前記したように通常使用では破壊させることが困難であることから、選択された回転体が上昇し得る最高の回転速度で破壊するよう計算された切り込み溝加工を、図８(a)の１４に示すように回転体３ｄに施して回転させ、二つに破壊させる。そして、破片を本体の中に封じ込めることができたか、封じ込めを担う防御部材に亀裂が生じていないか、本体の移動が定められた範囲内か、などを評価する。従って、この規格を満足するためには、多くの場合、前記した回転体の破壊に耐えうる構造とする必要があり、一般的には図６に示したように、回転体を回転させる回転室２ｂを構成しているボウル４ｂの外周に防御部材として防御筒１３を配して、回転体が破壊し、衝突しても破片が突き抜けたりすることがないよう設計してある。また、分離する試料の温度を一定に保たせるために、ボウルの外側に冷却液を流すタイプで、冷却器付きと呼ばれる遠心機では、図７に示したように、無駄な入熱を防止するため、ボウル４ｃの外側に断熱層１１ｃを設ける必要があることから、さらにその外側に防御筒１３ｃを設けて破片の封じ込めを図っている。

次に回転体が破壊したときの挙動についてＭＣＡテストを例に図８、図９を用いて説明する。図８(ａ)にあるように評価する遠心機に使用できて破壊時のエネルギが最も大きい回転体３ｄに、回転できる最高の回転速度で破壊するよう設計された切り込み溝１４を施し、所定の回転速度で運転し遠心破壊させる。２つに破壊した回転体３ｄの回転体破片１５は図８(ｂ)に示すように回転方向の接線方向に速度成分を持つことから、亀裂の進行による破壊の挙動を無視して一瞬に２つに分裂したとすると、それぞれが矢印の方向に放射され、図９に示すように薄肉構造のボウル４ｄを突き破り、さらにその外側の防御筒１３ｄに衝突する。この時、回転体が持っていた回転エネルギ（Ｅ＝１/２×Ｉ×ω^２ここで、Ｉ：回転体の軸回り慣性モーメント、ω：回転体の角速度）は衝突による防御筒１３ｄの局部変形エネルギおよび全体変形（楕円に変形）エネルギと回転体破片１５自身の変形エネルギとしてその多くを消費され、一部、熱や音などによっても消費される。一方、上記した回転体破片１５の接線方向速度成分が偶力モーメントを生むことから、防御筒１３ｄや防御筒１３ｄが組み込んである遠心機にもこのモーメントの一部が伝わって遠心機本体が回転したり移動する場合もある。特に防御筒１３ｄが大きく変形して遠心機の外枠を成すフレーム１０ｄに当たったり食い込んだりすると、遠心機本体を回転、移動させる力がより大きくなり、危険性が増す。

以上より、回転体破壊時の防御部材として用いられる防御筒は、万一、回転体が破壊して破片が衝突しても亀裂が生じることなく、かつ、できるだけ変形が小さくてすむよう、十分な強度と靱性が求められる。その材質は使用できる回転体の最大回転エネルギによっても異なり、通常、エネルギの大きい回転体が使用でき、破壊時のエネルギが大きい遠心機には熱処理鋼や強靱鋼が用いられ、エネルギの比較的小さい回転体しか使用できない遠心機には、熱処理鋼や強靱鋼の代わりに市販されていて、安価な炭素鋼管等を採用し、肉厚を適当に選択しで必要強度を調整している。また、防御筒と遠心機外枠フレームとの間の空隙は、破壊時の破片衝突により防御筒が変形しても遠心機の移動が定められた範囲内に十分収まるよう考慮して決めてある。また、特開昭５０−０５６９８８にあるように、防御筒の内側にこの防御筒より更に柔らかい部材を設置し、破片衝突時に変形し易くしてエネルギを消費すると共に、エネルギが消費する時間を長くして衝撃力を緩和する工夫もされている。

特開昭５０−０５６９８８号公報

上記した従来の遠心機では、回転体が破壊しても破片が遠心機の外に飛び出したり、遠心機本体が規定量以上移動しないようにするためには、破片衝突時の衝撃力に耐えうるに十分な厚さの防御筒を採用する必要があり、この種の遠心機を重くする要因になっている。また、熱処理鋼や強靱鋼を必要とする防御筒をコスト低減のために市販の鋼管に置き換え、等価としようとすると、防御筒の肉厚を数段厚くする必要があり、製品がより重く、サイズがより大きくなるといった問題があった。さらに冷却器付き遠心機の場合、ボウルの外周に断熱層が必要であることから、断熱層の外側に防御筒を設ける必要があり、製品をより大きくする要因になっている。それでも、その大きさにあった防御筒を指定寸法で製造する場合はよいが、コスト上、市販の鋼管を使用せざるを得ない場合は断熱層の外径にあった内径サイズの鋼管が市販されている保証はなく、度々、大きめの鋼管を採用することになり、ますます製品を重く、サイズも大きくしてしまうという問題があった。一方、防御筒の中に柔らかい防御部材を設置する構造は、エネルギ吸収の面では優れているが、柔らかい防御部材が余分に必要となることからコスト高となり、本体サイズをも大きくするといった難点がある。

本発明の目的は、上記した欠点に鑑みてなされたもので、回転体の破壊に対して十分これを封じ込めることができ、かつ、軽量な遠心機を提供できるようにすること、および、特に冷却器付き遠心機の本体サイズをより小さくすることにある。

上記目的は、防御筒としてこの種の遠心機に一般的に使用されている金属筒の代わりに、鋼線やステンレス鋼線などの線材を網状に編んで筒状に形成し、使用することにより達成される。また、冷却器付き遠心機においては断熱層を利用することにより、本体のサイズをより小さくすることが可能となる。

本発明によれば、万一回転体が破壊した場合、回転体の破片を含めた破片を遠心機の中に封じ込めるために用いられている金属製の防御筒の代わって、網構造の防御筒（細い線を網状に編んだ円筒状）を採用したので、この種の遠心機を軽量化することができる。さらに、冷却器付き遠心機において、冷却パイプが巻かれたボウル（エバポレータ）の外周にある断熱層の中に防御筒を仕込めるようにしたので、断熱層の外周に防御筒を要していた従来の遠心機に比べ、より小形、軽量化が可能となる。

図１に本発明になる防御筒をボウル外周に配した遠心機の一実施例を一部断面図として示し、図２に本発明を冷却器付き遠心機に適用した場合の一実施例を同じく一部断面図として示し、図３に本発明になる防御筒の外観を示す斜視図を、図４、５に本発明になる防御筒の網目を説明する外観拡大図を、図６に従来技術になる遠心機を一部断面図として示し、図７に従来技術になる冷却器付き遠心機を一部断面図として示し、図８に回転体に溝加工を施し、遠心破壊させた時の破片の挙動を説明するために回転室の上面から回転室を密閉するドア部を取り除いて見た説明図を示し、図９に従来技術になる遠心機において、回転体が破壊し回転体破片１５が防御筒に衝突したときの挙動を説明する図を示し、図１０に本発明になる冷却器付き遠心機において、回転体が破壊し回転体破片１５ｅが網状防御筒に衝突したときの挙動を説明する図を示す。

図１を用いて、第一の実施例となる遠心機について説明する。遠心機１の回転室２に駆動装置９の出力軸（図示せず）が突出しており、試料８を挿入した回転体３を前記出力軸に装着して高速で回転させ、試料８を遠心する。回転室２の上部開口部には開閉可能なドア７が設けてあり、回転体３が回転中は使用者が回転体３に手を触れられないようドア７をロックするドアロック（図示せず）が設けてあり、制御器（同じく図示せず）で制御している。なお、このドアロックは万一、回転体３が前記出力軸から外れて離脱した場合や破壊した場合に、回転体３やその破片がドア７に当たってもドア７が開くことなく、ロックを維持できるよう設計されている。

また、回転室２を構成するボウル４は回転体３の回転による風損を低減したり、例えば病原性試料を扱う使用者が滅菌、清掃のためふき取り易いよう、内表面に凹凸が無い底付きの円筒にプレスもしくはスピニング成形してあり、その材質はステンレスやアルミ、銅の薄板が一般的に使われている。さらにボウル４の外周部にステンレス線や鋼線で円筒状に編まれた金網状の網状防御筒５が設置されており、その外周に所定の空間を持たせて補助防御筒６が設けてある。

図１の回転体３が図８（ｂ）に示すように破壊した場合、回転体破片はボウル４に当たるが、ボウル４は薄肉であるため、これを突き破って網状防御筒５に激突することになるが、網状防御筒５が比較的細い線材の集まりであることから衝突部は瞬時に回転体破片の形状に倣って変形するため、広い面積で荷重を受けることができ、さらに、網を形成する線材と線材が多くの箇所で擦れ合ってエネルギを消費しながら変形するためエネルギ消費時間を長くすることが可能となり、衝撃力を大幅に緩和することが可能となる。また衝突により網状防御筒５全体が楕円筒状になり、楕円の短径側にあたる箇所がボウル４を締め付けて変形させることになり、さらにエネルギを消費する。なお、上記の網状防御筒５の線材は一本の線状の物だけではなく、ワイヤーロープ等のロープ状の物であっても良い。

一方、従来の遠心機は図６、図９にあるように局部に衝撃的な荷重が加わることから一点集中荷重が働いても、フレーム１０ｄにまで変形が及ば無いように規定の変形に留められるよう、厚肉の金属製防御筒１３、１３ｄを採用する必要があり、逆にこのことがエネルギの短時間消費になり、強い衝撃力が発生するため、さらにこれに耐えうる構造強化も必要となっていた。

よって本発明の第一の実施例によると、厚肉の金属製防御筒に代って、軽量かつ厚さの薄い網状防御筒５で十分代用することが可能となる。さらに、網状防御筒５を２重、３重にと何重に設けても良い。
なお、網状防御筒５に薄板をロールした補助防御筒６を設けておけば編み目を通過した細かな破片（細かな破片であるためにエネルギは小さい）を受け止めることができ、遠心機１内に破片を封じ込める効果がより高くなる。ただし、編み目の大きさや回転体３のエネルギによっては補助防御筒６を用いず、その機能をフレーム１０で代用することも可能である。

次に図２を用いて、第二の実施例となる冷却器付き遠心機について説明する。冷却器付き遠心機の特徴は、回転による風損によって、そのままでは温度が上昇する回転体３ａの温度を一定に保つために、ボウル４ａの外周に冷却パイプ１２を密着して巻いてエバポレータ（蒸発器）とし、この冷却パイプ１２に冷凍機（図示せず）を用いて冷媒を流し、ボウル４ａの温度を、ひいては回転室２ａの温度を下げて回転体３ａを冷却する機能を有していることにある。

従って、ボウル４ａは熱容量が小さく、腐食に強い、薄肉のステンレス製であることが一般的である。なお、回転体３ａの温度を一定に保つには、回転体３ａの温度と相関関係がある回転室２ａの温度をサーミスタなど（図示せず）で測定し、制御器（図示せず）で前記した冷凍機をＯＮ−ＯＦＦさせて行うことが一般的である。また、冷凍機の代わりに冷却水を流したり、ペルチェ素子による電子冷却を使ってボウル４ａの温度を制御し、回転体３ａを一定温度に保つ方法もある。いずれにしてもボウル４ａの外周面は超遠心機と称される、ボウル４ａが真空槽内に配置されるタイプの遠心機を除き、余分な入熱や結露を防止するため、本例になる発泡ポリウレタン充填や、発泡スチロール成型品組み込み、独立発泡系断熱フォームシートの貼り付けなどで断熱層１１が設けてある。

本発明の第二の実施例ではこの断熱層１１の中に第一の実施例と同様な網状防御筒５ａが埋設してあり、特に本例のような発泡ポリウレタン充填による断熱の場合は防御筒が網になっていることから、編み目を通して発泡液が容易に通過するため、発泡液を隅々まで十分行き渡らせることが可能となる。また、発泡スチロールの成型品やフォームシート貼り付けの場合は２重構造にすることで、その間に網状防御筒５ａを設けることが可能となる。一方、冷却パイプ１２に近いところに網状防御筒５ａが設けられるため、断熱層の厚さが不足となり、網状防御筒５ａからボウル４ａに熱が入ったり、逆にボウル４ａを温める妨げになる場合もあるが、素材が金網であることから、金属管に比べ熱容量が小さく、影響は軽微である。

本構造にて回転体３ａが破壊した場合、上記と同様、図１０に示すように回転体破片１５ｅは低強度のボウル４ｅおよび通常銅管からなる冷却パイプ１２ｅを突き破って網状防御筒５ｅに衝突する。この時、断熱層１１ｅは衝突、変形に対し、空気と同類に見なせる。また、エネルギの消費過程は上述したと同じであることから、同様に厚肉の金属製防御筒に代って、軽量かつ厚さの薄い網状防御筒５eで代用することが可能となる。さらにここで特記すべきは、網状防御筒５ｅが変形するスペースを断熱層１１ｅに兼ねさせることができる点であり、回転体破片１５ｅが網状防御筒５ｅにめり込んでも網状防御筒５ｅの変形を断熱層１１ｅ内に留めることが可能となる。

即ち、図７にあるように断熱層１１ｃの外周部に肉厚の防御筒１３ｃを配し、その外周にさらに十分なる空隙を必要としていた従来技術になる遠心機に比べ、小形、軽量化が可能となる。なお、第一の実施例と同様に断熱層１１外周に薄板をロールした補助防御筒６を設けておけば編み目を通過した細かな破片（細かな破片であるためにエネルギは小さい）や断熱層１１の破片を受け止めることができ、遠心機内に破片を封じ込める効果がより高くなる。ただし、編み目の大きさや回転体のエネルギによっては補助防御筒６ａを用いず、その機能をフレーム１０ａで代用することも可能である。

次に本発明になる網状防御筒について図３、図４、図５を用いて説明する。網状防御筒は図３に示すような軸方向に切れ目のない筒状になるよう、細い金属線で編まれており、その編み方は回転体のエネルギによって選択される。一例をあげると、図４に示す平織りや図５に示す波状の形状をした線材２０を線材２１で繋ぎ合わせたベルト状などがある。使用する金属線材は、一般的なステンレス鋼線やバネ用ステンレス鋼線、ピアノ線など、これも回転体のエネルギによって最適な素材が選択される。

なお、金属の線材に代わってワイヤーロープ等のロープ状の物であっても良く、さらにアラミド繊維や炭素繊維などの高強度繊維で織った布状の筒としても同様の効果が期待できるし、場合によってはさらに遠心機本体の小形、軽量化が達成でき、冷却への影響もより緩和させることが可能となる。さらに、シート状に編まれた金属製の金網や強化繊維の布を、溶接、止め金具、接着剤等使用して円筒（円柱）状に加工しても良い。

本発明になる防御筒をボウル外周に配した遠心機の一実施例を一部断面にして示した図である。 本発明を冷却器付き遠心機に適用した場合の一実施例を一部断面にして示した図である。 本発明になる防御筒の外観を示す斜視図である。 本発明になる防御筒の網目を説明する外観拡大図である。 図４と同様、本発明になる防御筒の別の網目を説明する外観拡大図である。 従来技術になる遠心機を一部断面図として示した図である。 従来技術になる冷却器付き遠心機を一部断面図として示した図である。 回転体に溝加工を施し、遠心破壊させた時の破片の挙動を説明するために回転室の上面から回転室を密閉するドア部を取り除いて見た説明図である。 従来技術になる遠心機において、回転体が破壊し回転体破片が防御筒に衝突したときの挙動を説明する図である。 本発明になる冷却器付き遠心機において、回転体が破壊し回転体破片が網状防御筒に衝突したときの挙動を説明する図である。

符号の説明

１は遠心機、２，２ａ，２ｂ，２ｃは回転室、３，３ａ，３ｄは回転体、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅはボウル、５，５ａ，５ｅ’は網状防御筒、５ｅは変形後の網状防御筒、６，６ａ，６ｅは補助防御筒、７，７ａ，７ｂ，７ｃはドア、８は試料、９は駆動装置、１０，１０ａ，１０ｄ，１０ｅはフレーム、１１，１１ｃ，１１ｅは断熱層、１２，１２ｃ，１２ｅは冷却パイプ、１３，１３ｃ，１３ｄは防御筒、１４は切り込み溝、１５，１５ｅは回転体破片である。

Claims (6)

1. 試料を入れた回転体と、
   前記回転体を回転するための駆動装置と、
   前記回転体を収容する回転室を形成し、前記回転体を出し入れする開口部を有するボウルと、
   前記ボウルの開口部を開閉するドアと、
   を備えた遠心機において、
   前記ボウルの外周に配置された円筒状の防御筒を有し、
   該防御筒は、軸方向に切れ目のないように線状の部材で円筒状に編んだもの又は、線状の部材を編んだ織布で円筒状に形成したものより構成されることを特徴とする遠心機。
2. 請求項１において、前記ボウルの外周に巻かれたパイプと、前記パイプに冷却液を流すための冷却装置と、前記ボウルの外周に設けた断熱層とを有し、前記防御筒を前記断熱層の中に埋設したことを特徴とする遠心機。
3. 前記ボウルはステンレス、アルミまたは銅などの薄板で作られていることを特徴とした請求項１又は２記載の遠心機。
4. 前記防御筒は、ステンレス鋼線などの金属線で円筒状に編んだもの又は、アラミド繊維や炭素繊維などの高強度繊維で編んだ織布で円筒状に形成したものより構成されることを特徴とする第１項又は第２項記載の遠心機。
5. 前記断熱層の外周にさらに鋼管を設けたことを特徴とする請求項２記載の遠心機。
6. 前記冷却装置は、フロンガスを含む冷媒を循環させる冷凍機であることを特徴とする請求項２記載の遠心機。

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